Damit Technik funktioniert

Sicherheitstechnik

Dehn. In intelligenten Gebäuden finden sich heute zahlreiche und immer sensibler reagierende technische Geräte – Tendenz steigend. Überspannungsschutz leistet einen wesentlichen Beitrag, damit diese Technik und ganze Gebäudesysteme funktionieren.

13. November 2018
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Bild 1: Damit Technik funktioniert (© Dehn)

Gebäude werden intelligent und setzen dabei auf empfindliche technische Komponenten, die eine ständige Strom- und Datenversorgung benötigen. Im privaten Bereich ist das Smarthome bereits in aller Munde und erste Ausbaustufen sind bereits fester Bestandteil in der Planung. Ein ähnliches Bild zeigt sich auch bei neuen Gewerbebauten wie Hotels oder Büros.

Beispielsweise wird dort der Energiebedarf automatisch gesteuert und optimiert, Reinigungen nur für tatsächlich genutzte Flächen veranlasst und der Zutritt mittels sensibler Sicherheitstechnik geregelt. Damit dies alles funktioniert, muss die Technik stets zuverlässig verfügbar sein. Doch nicht nur die technische Ausstattung von Gebäuden befindet sich im Wandel. Auch Umweltbedingungen verändern sich.

Effiziente Schutzkonzepte

Effiziente Schutzkonzepte

Der Sommer 2018 veranschaulicht wie kaum ein anderer, dass Wetterphänomene wie Hitze, Gewitter und Blitzereignisse an Intensität zunehmen. Damit steigt auch die Gefahr von Blitz- und Überspannungsschäden. Immer empfindlicher reagierende technische Geräte und eine steigende Gewitterbedrohung sind eine riskante Mischung, die es sehr ernst zu nehmen gilt. Ein Ausfall einzelner Komponenten, z.B. infolge von Überspannungsschäden, führt mitunter zum Kollaps des gesamten Systems.

Ein Szenario, das sich durch Schutzmaßnahmen frühzeitig verhindern lässt. Generell umfasst ein vollständiges Schutzkonzept Maßnahmen für den äußeren und inneren Blitzschutz (Überspannungsschutz). Grundvoraussetzung für den sicheren Betrieb von Gebäuden ist dabei eine funktionsfähige Erdungsanlage. So ist z.B. der Einbau eines Fundamenterders in neuen Gebäuden durch die DIN VDE 0100-540, DIN 18015-1 sowie die technischen Anschlussbedingungen (TAB) der Energieversorger vorgeschrieben. Die Ausführung des Fundamenterders auch in Verbindung mit einem äußeren Blitzschutzsystem wird in der DIN 18014 geregelt.

Äußerer Blitzschutz

Der äußere Blitzschutz sichert das Gebäude bei einem direkten Blitzeinschlag. Er fängt die Blitzentladung mit einer Fangeinrichtung ein, leitet sie sicher ab und verteilt sie über die Erdungsanlage in den Boden. Somit bildet er eine schützende Hülle um das Gebäude, die Brände verhindert und Personen vor Verletzungen bewahrt. Die DIN EN 62305 Teil 3 beschreibt, wie ein äußeres Blitzschutzsystem aufgebaut wird.

Ob und wann ein Blitzschutzsystem an einem Gebäude zu installieren ist, regeln die Bauordnungen der Länder sowie weitere gesetzliche Vorschriften (z.B. Brandschutznachweis, Vorschriften für Sonderbauten). Wichtig zu wissen: Ein Teil der Blitzentladung fließt über die Verbindung zur Haupterdungsschiene auch nach innen in das Gebäude. Deshalb sind auch dort Schutzmaßnahmen für den Blitzschutzpotenzialausgleich (innerer Blitzschutz / Überspannungsschutz) notwendig.

Indirekte Blitzeinschläge

Überspannungsschutz schafft Sicherheit im Inneren des Gebäudes und schützt sensible Technik vor gefährlichen Überspannungen. Die häufigste Ursache sind in diesem Zusammenhang indirekte Blitzeinschläge. Über Versorgungsleitungen gelangen Überspannungen in das Gebäude und können noch in einem Umkreis von bis zu 2 km um die Einschlagstelle Schäden an elektrischen und elektronischen Geräten verursachen. Eine weitere Quelle sind Schalthandlungen im Stromnetz.

In beiden Fällen wirkt eine Störenergie, die mit der Wellenform 8/20 Mikrosekunden (µs) prüftechnisch nachgebildet wird. Diese wird auch als sogenannte transiente Überspannung bezeichnet. Diese Ereignisse sind zwar energieärmer als direkte Blitzeinschläge, finden aber häufiger statt und können zu vielfältigen Schäden führen. Aus diesem Grund liegt der Fokus des folgenden Schutzkonzeptes auf Maßnahmen des Überspannungsschutzes.

Überspannungsschutzkonzept

Grundsätzlich basiert dieses auf drei Schutzstufen:

- Stufe 1 stellen Blitzstrom-/Kombi-Ableiter des Typs 1 am

  Gebäudeeintritt dar.

- Stufe 2 sind Überspannungs-Ableiter des Typs 2 und meist

  in der nachgelagerten Unterverteilung installiert.

- Stufe 3 umfasst Überspannungs-Ableiter des Typs 3, die

  unmittelbar am Endgerät eingesetzt werden.

Um die notwendige Schutzwirkung zu erhalten, das heißt das Zusammenspiel der einzelnen Schutzstufen zu erreichen, ist es wichtig, dass die jeweiligen Ableiter aufeinander abgestimmt bzw. technisch koordiniert sind (gem. Vorgaben DIN VDE 0100-534). Eine Eigenschaft, die Kombi-Ableiter automatisch erfüllen. Überspannungsschutzgeräte sind als Kombi-Ableiter erhältlich und vereinen die drei oben beschriebenen Schutzstufen in einem Gerät.

Sie beherrschen damit sowohl die Energie eines direkten Blitzeinschlages und schützen zugleich auch sensible Endgeräte, die sich im Schutzradius von 10 m um das Gerät befinden. Bei der Verwendung von Kombi-Ableitern auf Funkenstreckenbasis wird dies auch als sogenannte Wellenbrecherfunktion bezeichnet. Bei einem Kombi-Ableiter wird somit die eindringende Energie durch nur ein Gerät stufenweise auf ein geringes und für Endgeräte ungefährliches Maß heruntergebrochen. Wichtig ist zudem, dass für ein sicheres Schutzkonzept alle elektrischen Schnittstellen und Systeme, die in das Gebäude führen, zu betrachten und somit Schutzmaßnahmen für die Energie- und Datenversorgung notwendig sind.

Schutz für Bürogebäude

Am Beispiel eines modernen Bürogebäudes werden im Folgenden Lösungen für ein abgestimmtes Überspannungsschutzkonzept in den wichtigsten Bereichen eines intelligenten Gebäudes beschrieben. Während die DIN VDE 0100 Teil 443 beschreibt, wann Überspannungsschutzmaßnahmen in Anlagen und Gebäuden vorzusehen sind, regelt die DIN VDE 0100-534 die Auswahl der Ableiter und wo deren Installation in die elektrische Anlage erfolgen soll. Beide Errichternormen gelten seit dem 1. Oktober 2016.

Mit dem Neuerscheinen der DIN VDE 0100-443:2016-10 wird der Überspannungsschutz nun auch für das neue Einfamilienhaus (EFH), Mehrfamilienhaus (MFH) und für Büros zur Pflicht, wenn Betriebsmittel der Überspannungskategorie I oder II zum Einsatz kommen. Hier handelt es sich um Geräte mit sensibler Elektronik wie Haushaltsgeräte, PCs, Server und Netzwerkanlagen oder elektrische Steuerungen.

Somit ist Überspannungsschutz nun für nahezu alle Gebäudearten Vorgabe. Dies gilt auch, wenn kein äußeres Blitzschutzsystem errichtet wird. Beide Normen sind für die sofortige Anwendung bei neuen elektrischen Anlagen sowie bei Veränderungen oder Erweiterungen vorhandener elektrischer Installationen anzuwenden.

Der Wirkungsbereich der Norm

- Atmosphärische Einflüsse, die durch indirekte

  Blitzeinwirkungen verursacht und über das

  Stromversorgungsnetz übertragen werden,

- Direkte Blitzeinschläge in das Stromversorgungsnetz,

- Transiente Überspannungen, die beispielsweise infolge

  von Schalthandlungen erzeugt werden.

Die technische Interpretation beider Normen erlaubt eine Differenzierung in verpflichtende und empfohlene Maßnahmen zum Überspannungsschutz bei Gebäuden. Verpflichtend sind derzeit Maßnahmen für die in das Gebäude eingeführten Stromversorgungsleitungen. In der Regel finden sich bei einem neuen Gebäude, neben der Stromversorgungsleitung, auch die Internet- und Telefonleitung sowie in bestimmten Fällen das Breitbandkabel.

Überspannungsableiter für alle elektrischen Leitungen

Für eingeführte Internet-, Telefon- und Breitbandleitungen kann die DIN VDE 0100-443 keine Überspannungsschutzmaßnahmen fordern. Allerdings empfiehlt sie diese. Aus jahrzehntelanger Erfahrung ist bekannt, dass ein sicheres und wirksames Überspannungsschutzkonzept nur erreicht werden kann, wenn für alle eingeführten elektrischen Leitungen – und so auch für Kommunikationsleitungen – Überspannungsableiter eingesetzt werden.

Es wird daher für jede dieser Leitungen (Stromversorgung, Telefonleitung und Breitbandkabel, Bus- und Datenleitung) ein Überspannungsableiter am Gebäudeeintritt benötigt. Der Installationsort der Überspannungsableiter sollte für alle eingeführten Leitungen grundsätzlich so nah wie möglich am Eintritt des Gebäudes gewählt werden.

Um dies für das Spannungsversorgungssystem zu gewährleisten, kann bei Verwendung eines 40 mm Sammelschienensystems beispielsweise der speziell für diesen Anwendungszweck konzipierte Kombi-Ableiter Dehn-Shield ZP Basic verwendet werden. Dieser lässt sich schnell und einfach auf das Sammelschienensystem aufrasten und wird nur noch mit der Haupterdungsschiene verbunden. Befindet sich z.B. eine Wärmepumpe oder der Wechselrichter der PV-Anlage in unmittelbarer Nähe – maximal 10 m Leitungslänge vom Kombi-Ableiter entfernt – sind diese für die AC-Seite bereits mit geschützt und müssen nicht nochmals separat mit Überspannungsableiter geschützt werden. 

Somit wird bei einer vorausschauenden Planung bereits im Vorfeld unnötiger Aufwand für den Überspannungsschutz vermieden. Für die eingeführten Telekommunikationsleitungen empfiehlt sich der Einsatz eines Potenzialausgleichsgehäuses. In diesem blitzstromtragfähigen Gehäuse lassen sich bis zu 200 Doppeladern über LSA-Trennleisten mit den jeweiligen Überspannungsableitern beschalten. Unterschiedlichste Datenschnittstellen bzw. Signale sind so geschützt.

Besonderer Schutz für den Wechselrichter

Immer häufiger finden sich Fotovoltaikanlagen auf modernen Bürogebäuden. Durch die exponierte Lage der Solarmodule auf dem Dach des Gebäudes führen Störungen, die durch nahe Blitzeinschläge hervorgerufen werden, über die Gleichspannungsseite der PV-Module direkt in das Gebäude. Um diese Bedrohung gering zu halten, sind auch auf der Gleichspannungsseite entsprechende Überspannungsableiter einzusetzen.

Diese dienen zum besonderen Schutz des Wechselrichters, dem Herzstück jeder Fotovoltaikanlage. Mit dem Dehn-Cube als IP54-Baustein lässt sich diese Schutzmaßnahme einfach realisieren. Die Notwendigkeit von Überspannungsableitern auf der Gleichspannungsseite ist auch in der DIN VDE 0100-712 geregelt. Diese Norm wurde ebenfalls im Oktober 2016 veröffentlicht. Elektromobilität gewinnt immer mehr an Bedeutung und erfordert auch bei Gewerbebauten eine entsprechend hohe Anzahl von Ladepunkten für Elektrofahrzeuge.

Deshalb ist es wichtig, diese Anforderung bereits heute in der Planung der elektrotechnischen Installation zu berücksichtigen. Elektrofahrzeuge sind im Ruhemodus bzw. Parkzustand fast immer an das öffentliche Netz angeschlossen – ein mögliches „Einfallstor“ für Überspannungen. Aufgrund des hohen Fahrzeugwertes und der komplexen integrierten Technik ist ein Ausfall bzw. eine Störung beim Aufladen des Fahrzeugs nicht tolerierbar.

Schutz für Ladesäulen

Um die entsprechende Verfügbarkeit zu gewährleisten und Ausfall- bzw. Störszenarien infolge von Überspannungen auszuschließen, sollten Überspannungsableiter in den Ladesäulen vorgesehen werden. Beispiele für derartige Schutzgeräte sind der Dehn-Guard für die Spannungsversorgung und der Dehn-Patch für die Datenschnittstelle. Sie schützen das Elektrofahrzeug vor schädlichen Überspannungen. 

Jederzeit zuverlässig funktionieren müssen auch Gefahrenmeldeanlagen (GMA). Sie schützen Menschenleben und verhindern Schäden an Gebäuden und deren wertvolle Ausstattung. Fehlende Schutzmaßnahmen können zum Ausfall oder Defekt dieser kritischen Systeme führen und im schlimmsten Fall die Ursache dafür sein, dass Menschen lebensgefährlich verletzt werden.

Im Außenbereich sind Kameras, Zutrittskontrollanlagen, Sprachalarmierungssysteme oder Feuerwehrschlüsseldepots zudem den Gefahren eines direkten Blitzeinschlages ausgesetzt. Im Inneren des Gebäudes befinden sich Sicherheitsbeleuchtung, Brandmelde-/Einbruchmeldezentrale oder die Zentralrechner dieser Systeme. Vor Überspannungen werden moderne IP-Kameras mit dem speziell für den im Außenbereich entwickelten Dehn-Patch Outdoor sicher geschützt.

Dieser kann montagetechnisch einfach mit einem Spannband direkt am Mast montiert werden. Ein wie früher zusätzlich benötigtes Gehäuse mit dem für den Außenbereich notwendigen Schutzgrad kann somit entfallen. Zum Schutz der Brandmeldezentrale sind Überspannungsableiter wie der Dehn-Rail für die Spannungsversorgung und der Blitz-Ductor für die Datenschnittstellen die erste Wahl. Sicherheit für Sprachalarmierungs-/Lautsprechersysteme ermöglicht Dehn-Vario. 

Bus-Systeme für die Gebäudeleittechnik steuern die zentrale Technik und bilden somit die Lebensadern im Gebäude. Umso wichtiger ist ein Schutz dieser Schnittstellen. Speziell hierfür wurde der Bus-Tector für KNX mit seinen schmalen Abmessungen entwickelt. Wie eine Busklemme lässt er sich einfach im System integrieren. Schnittstellen der Gebäudetechnik auf Ethernet Applikationen lassen sich mit dem Dehn-Patch schützen. Vernetzt im Bus-System ist in modernen Gebäuden meist auch Jalousietechnik. Ein Schutz der Spannungsversorgung ist hier wieder wichtig. Dies lässt sich mit dem steckbaren Ableiter Dehn-Cord R realisieren.

Ausfall von LED verhindern

Moderne Beleuchtungsanlagen – ob im Außen- oder Innenbereich – basieren heute meist auf LED-Technik und bieten vielfältige Variationen der Licht- und Szenensteuerung. Im Gegensatz zur konventionellen Beleuchtung ist LED-Technik dabei sehr sensibel und störanfällig gegenüber Überspannungen. Durch den Einsatz des für diese Anwendung konstruierten DehnCord im Lichtsystem lassen sich ein vorzeitiger Ausfall oder Störungen des Steuersystems verhindern.

Stufe 1:Blitzstrom-/Kombi-Ableiter des Typs 1 am Gebäudeeintritt.

Stufe 2 sind Überspannungs-Ableiter des Typs 2 und meist in der nachgelagerten Unterverteilung installiert.

Stufe 3 umfasst Überspannungs-Ableiter des Typs 3, die unmittelbar am Endgerät eingesetzt werden.Die Autoren dieses Beitrags sind:

Annemarie Altmann, Marketingspezialistin Business Unit Gebäude,

Thomas Seitz, Produkt- und Applikationsspezialist Business Unit Gebäude.

Erschienen in Ausgabe: 07/2018